В последние годы искусственное обоняние, или электронные носы, стремительно развиваются, демонстрируя впечатляющие возможности в различных областях. Эти системы, имитирующие человеческий нос, способны анализировать сложные смеси запахов и идентифицировать их с высокой точностью.
В основе их работы лежит использование сенсоров, чувствительных к различным химическим соединениям, которые преобразуют информацию о запахе в электрический сигнал. Этот сигнал затем обрабатывается компьютерными алгоритмами, позволяющими классифицировать и идентифицировать запахи.
Воронежские ученые предложили инновационную методику искусственного обоняния. Профессор Российской академии наук Татьяна Кучменко — главный разработчик этой системы.
Как электронный нос отличает запахи
Электронный нос — это устройство, имитирующее способность человеческого носа распознавать запахи. В отличие от человека, электронный нос не «чувствует» запах в прямом смысле слова. Он скорее анализирует химический состав газовой смеси и преобразует эту информацию в цифровой сигнал.
Компьютер использует сложные алгоритмы машинного обучения и статистического анализа для интерпретации сигналов от сенсоров. Эти алгоритмы «обучаются» на образцах известных запахов, создавая своего рода «отпечаток» каждого запаха. Когда электронный нос сталкивается с новым запахом, он сравнивает полученные сигналы с уже известными «отпечатками».
По замыслу разработчиков, проект «электронного обоняния» родился в парадигме бионики, то есть подражания природному органу обоняния. Однако если было сложно расшифровать работу системы обоняния у человека, то можно представить, насколько сложно — подражать ей. И дело здесь не только в копировании структуры и имитации ее по свойству.
Главная проблема заключается, на мой взгляд, в понимании того, что именно нужно создать? Под какую задачу? Что закладывать в каждый блок этой системы? Даже как программировать и какие базы закладывать в искусственную систему регистрации и обработки сигналов электрорецепторов? Ведь природа, как самая мудрая и отточенная веками, создала обоняние хитро. Ограничивая на каждом этапе путь и реакции на летучие соединения, которые на самом деле для обоняния представляют собой смесь без деления на компоненты, а просто запах. Не говорю даже о самой интересной особенности нашего обоняния — тесной связи с памятью, эмоциями и формированию меток в этих ощущениях. Эта самая социальная и психологическая часть, которая бессознательно ведет человека в жизни, даже близко не позиционируется в теории и практике электронных нюхачей.
В большей степени электронные носы сводятся к многоканальным анализаторам газов с интегральной реакцией на смесь соединений. Именно в этом электронное и биологическое обоняние близки. Если изменить число сенсоров, то изменится часть регистрируемых молекул около сенсоров. Замахнувшись на большое, человечество пока ограничивается только частью — созданием возможности какой-либо реакции и перевод в цифру этой реакции определенного набора газовых сенсоров в атмосфере летучих молекул.
Самое сложное для исследователей и создателей этих приборов (интегральных анализаторов летучих соединений) — удовлетворить ожидание общества в решении привычных ему задач. А каких задач — общество и само определить пока не может. Этим и объясняется разнообразие решений, вариантов их воплощения в прибор, обработки и интерпретации данных.
Может ли электронный нос «учуять» болезнь
Летучие соединения есть везде. Они окружают нас в домах, на улице, в природе. Эти невидимые глазу молекулы постоянно испаряются из жидкостей и твердых веществ, наполняя воздух своими ароматами, а иногда и опасными свойствами. Летучие органические соединения (ЛОС) — это огромная группа химических веществ, включающая в себя углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны и множество других.
Но если что-то сбивает эти реакции, то меняется и набор синтезирующихся молекул в организме. Именно по определенным веществам, в том числе летучим, судят о сбоях или восстановлении.
Болезни пахнут, и пахнут по-разному. В зависимости от причин, поражаемых органов и систем меняется сочетание или набор патогенных и нормальных молекул, выделяющихся в организме. Поэтому каждая болезнь или предболезнь, сбой в организме, стресс, усталость, голод, спазм, грусть, радость имеют свой набор молекул, выделяющихся в организме, и имеют свой запах. Чуткие сенсоры могут их зафиксировать, в отличие от человека, который не может так хорошо различать эти наборы. А ведь наши разные биопробы содержат от 300 до 1700 летучих соединений. И в таких смесях можно искать паттерны состояний и сбоев, приводящих к определенным болезням. Наши исследования показывают, что воспаления, желчнокаменная болезнь, вялая печень, эмоциональное сердце, сбои в кишечнике, почках, системные поражения — грипп, герпес, COVID, онкологические болезни, эндокринологические нарушения, в том числе некомпенсированный диабет, гинекологические, любые воспаления, нефрологические, некоторые нейродегенеративные (например, болезнь Паркинсона) заболевания, хирургические раны — все это пахнет и может быть выявлено нашими «электронными носами».
Кстати, очень красивые следы запаха имеет радость, состояние влюбленности. Кривые и разные по площади фигуры следов имеют запахи голода, испуга, подавления. А при поражении SARS-Cov2 фиксировались очень сильно истощенные отпечатки запаха тела, потеря энергии (она тоже отражается на форме сигналов). И потом длительное время, до полугода, биохимические процессы приходили в норму.
Научная группа Татьяны Кучменко сотрудничает с медиками разных направлений, включая стоматологов, ветеринаров, гинекологов, невропатологов, хирургов, онкологов, эндокринологов, гастроэнтерологов. Электронные носы могут помочь врачам диагностировать и мониторить состояние пациентов, оценивать эффективность лечения проще, чем набор стандартных анализов.
Почему электронные носы называют «искусственным интеллектом для молекул»
Электронные носы распознают смеси молекул целиком, и в мозге присваивают им метку с названием: то есть происходит обучение нашей обонятельной системы. Обоняние — единственное сенсорное взаимодействие с окружающем миром, сигналы которого нельзя переписать и исправить. Поэтому обонятельная оценка субъективна.
Часто говорю про это: «На вкус и цвет товарища нет, а на запах и врагов нет!». И методологически это тоже проблема. Под чье обоняние настраивать нос, если даже специалисты спорят о характеристике запаха объекта? Поэтому анализаторы газов, имитирующие орган обоняния, создаются по отстраненной схеме под задачи производств, диагностики, экологии и т. д. У нас единственное предприятие в России, которое создает электронные носы под заказчиков и их задачи. Для производителя это не очень удобно: трудно стандартизировать сенсоры, алгоритмы. Но для Заказчика это большая вероятность получить нужную для него информацию, решить интересующую его задачу. На этом этапе не обойтись без машинного обучения, составления модели распознавания отклонений от условной нормы объекта. Так как сигналов сенсоров много, а их расчетных интегральных параметров еще больше, то не обойтись без программ: если не ИИ, то сложных, с элементами самообучения. Чтобы дальше при контакте сенсоров с определенной смесью молекул по обоечной модели их оценивать.
Безусловно, место программ, математики, творчества и даже искусства в обработке сигналов сенсоров при контакте с летучими веществами трудно переоценить.
Где применяются электронные носы, кроме медицины
В целом электронные носы разрабатываются и применяются для решения разных задач. Пока не удалось создать универсальный прибор, который одним набором сенсоров будет распознавать разные смеси и озвучивать, например, их ассоциативную принадлежность: запах сыра, запах моря
Конечно, для обеспечения важных задач защиты, их учат распознавать наркотики, взрывоопасные, отравляющие, другие специфические вещества. Есть носы-экологи для воздуха и воды, есть носы-парфюмеры.
Наши «электронные носы» мирные. Мы разрабатываем и применяем их для инжиниринга новых пищевых продуктов, оценки качества сырья, оптимизации технологии и режимов хранения, сравнения товаров одного наименования разных производителей. Самые сложные для анализа — сухие продукты, кофе и растительные масла, кроме эфирных. Много работы в решении задач экологического мониторинга воздуха в помещении, воды природной, питьевой, стройматериалов, мебели, топлив. Самый недавний анализ — оценка степени загрязнения песка и воды в Анапе. Нос на новых наноматериалах чутко фиксировал остатки нефтепродуктов.
Может ли электронный нос «запомнить» любой запах
Способность электронного носа «запоминать» запахи имеет как возможности, так и ограничения.
Запомнить — оцифровать смесь летучих молекул, конечно, электронный нос может. Он для этого и разработан. Но у каждого «носа» своя база, которая зависит не только от летучих молекул, но и от условий их поступления к сенсорам, природы объекта анализа (аммиак в воде и в бетоне оставляет разный цифровой след), и самое главное — от набора сенсоров. Если сделать 100 одинаковых электронных носов, то базы, полученные для одних и тех же объектов, будут одинаковые. И можно будет их применять для сравнения. И как в самых современных методах анализа самым ценным является обучающая база, которая позволит исследователям распознавать не сами запахи, а отдельные вещества в них. А это позволит понять «жизнь» объекта. Наши носы в своем программном обеспечении визуализируют сигналы сенсоров в парах веществ и их смесей в виде разных фигур, форм, размеров, которые отражают состав регистрируемых смесей. Если запомнить этот гербарий следов, то можно по интернету передавать этот след, не запах, а его след. Зачем? Только один пример: люди с серьезными сбоями в работе обоняния получают новый язык общения с миром.
Самая главная часть прибора, как и в нашем обонянии, которая определяет различение запахов — это рецепторы-сенсоры. Чем больше разных по сродству к летучим соединениям сенсоров, тем большее число этих соединений в сложных смесях можно детектировать (засекать). А вот дальше все происходит в программном обеспечении прибора.
Как правило, чем больше набор сенсоров, тем больше информации от них нужно зафиксировать и разобраться в них. Представьте, только от восьми сенсоров за одну минуту контакта с анализируемой смесью паров в ПО поступает матрица из 480 чисел. А если время увеличивается до 3 минут при анализе сложных объектов, чтобы зафиксировать не только легкие, но и средне летучие соединения, то матрица данных только одного измерения уже разрастается до 1440. Теперь увеличим число сенсоров до 64, чтобы максимально увеличить возможности анализатора. Только за одно измерение в ПО придет более 11 тысяч чисел.
Поэтому есть два пути решения: сильно уменьшать размер сенсоров до микро- и наноструктур и использовать достаточно большое их количество на одной подложке, либо брать небольшое число сенсоров, но искать новые эффективные сорбенты — сборщики молекул разной природы. И у одного, и у другого варианта есть свои ограничения; но прогресс не стоит на месте, и системы искусственного обоняния будут развиваться параллельно материаловедению, математическим алгоритмам и компьютерным технологиям.
Таким образом, вызов для технологии «электронных носов» заключается не в смеси молекул, а в задачах, которые нужно решить.
Бывают ли «галлюцинации» у электронных носов
Восприятие человечеством запахов сильно исказилось после пандемии. Только официальные исследования говорят об охвате более 60% населения с измененным обонянием. Это только отдающие себе в этом отчет люди. А ведь очень много людей считает, что ничего не произошло. А зря.
Что же касается приборов, то для них галлюцинацией в сканировании и отнесении смеси молекул запаха кофе, например, к смеси молекул запаха апельсина, строго говоря, сомнительно при условиях нормального состояния сенсоров. Но это все же несколько провокационный вопрос, так как нет бионического обоняния, есть и развиваются аналитические приборы и подходы регистрации, анализа запаха. Сбой в любом блоке прибора и ошибка экспериментатора — вот и глюк.
Перспективы бытового использования
Перспективы бытового использования электронного носа открывают захватывающие возможности для улучшения качества жизни и обеспечения безопасности в доме.
Но готово ли население хоть немного поучиться его понимать? Хотя бы инструкцию посмотреть? Опыт показывает, что далеко не все. А вот те, кто его приобрел не для «подгона» под свои ожидания, а с уважением к его возможностям — те получают новую информацию о своем состоянии без анализов, открывают новый мир запахов себе и детям, играют с ними. Будущее электронных носов для каждого уже стоит на вашем пороге.
Уже сегодня существуют прототипы устройств, способных обнаруживать утечки бытового газа, определять свежесть продуктов питания и даже выявлять наличие аллергенов в воздухе. Однако массовое внедрение таких технологий в быт требует дальнейшего развития и совершенствования сенсорных элементов, а также упрощения интерфейса для конечного пользователя.
